Σχεδιασμός λογικών πυλών με οπτικούς ενισχυτές κβαντικών κουκκίδων

Abstract

All-optical logic gates are key building units for the evolution of photonic networks in which information is handled exclusively in the optical domain. This all-optical approach to perform switching for the purposes of logic and computing has gained intense research interest by the scientific community owing to the significant benefits that it offers over its electronic counterpart, such as the exceptional ultrafast response to information data and the accompanying convenience in keeping pace with the tremendous increase in the capacity of optical systems, the capability to form logical architectures of advanced level, the full transparency to data rate, the realistic power consumption, the reduced latency, the compact size and the affordable cost. Driven by the need for further improvements and innovation in order to overcome the limitations imposed by the employment of electronic components and the associated electronic bottleneck, this doctoral dissertation proposes to implement logic gates in an all-optical manner by exploiting quantum-dot semiconductor optical amplifiers (QD-SOAs) in an interferometric configuration. QD-SOAs with their unique optical properties and exceptional ultrafast response are promising candidates for ultrafast all-optical signal processing applications. Hence, their employment in schemes destined for executing Boolean logic exclusively by means of light is expected to be beneficial for developing all-optical networks without problematic optoelectronic conversions. In this context, the feasibility of implementing ultrafast all-optical logic gates using a single properly configured and driven Mach–Zehnder interferometer (MZI) with QD-SOAs has been thoroughly investigated. For this purpose a suitable model that describes the behavior of the QD-SOA-based MZI has been applied. In the first stage this model takes into account the propagation of a strong optical signal along the QD-SOA through a photon rate equation, as well as the concomitant change of the QD-SOA gain dynamics described by the 3-level rate equations for the electron transitions between the three considered energy states of the QD-SOA conduction band. This system of four coupled partial differential equations, of which one is space dependent while the rest are time dependent, was numerically solved in a step-wise manner using the 4th order Runge- Kutta method. In the second stage the outcome of the aforementioned procedure was linked to the MZI model in order to find the power emerging at the MZI output. The appropriate algorithm that describes this modeling was implemented in Matlab. The execution of various basic Boolean operations has been accomplished both with logical correctness and high quality, a task that has not been realized before in a systematic manner to such an extent. This was done for QD-SOAs operating in the 1550 nm wavelength window and for 160 Gb/s return-to-zero data in the case of the gates NOT, NOR, NAND and XNOR, whereas the target data rate for the AND operation was 320 Gb/s. The followed approach involved studying the behavior of each gate in response to changes of critical parameters, interpreting the obtained results, deducing proper design rules so that the specified performance criteria are satisfied and finally demonstrating the correct operation of the examined gate. Using the same methodology, the research was expanded from the examination of individual logic gates to the investigation of the design of reconfigurable ultrafast all-optical NOR and NAND gates, as well as of a 4-bit parity generator and checker that exploits an architecture where four XOR gates are concatenated in a modular manner.Τhe information acquired by the conducted research work could help towards the comprehensive and computationally balanced modeling of the QD-SOA subject to ultrafast data, the careful simulation, thorough analysis and efficient design of the QD-SOA-MZI-based all-optical logic gates, as well as the systematic specification of their necessary operating conditions that ensure faster and improved switching capabilities. At the same time, the progress achieved in the context of this study could contribute to the implementation of larger scale arrays of switches and architectures of multiple logical stages, and facilitate the capacity upgrade that is spurred by the unceasing bandwidth demand in modern communications networks so as to enhance the range and quality of the services they offer.

Οι αμιγώς οπτικές λογικές πύλες είναι βασικές δομικές μονάδες για την εξέλιξη των φωτονικών δικτύων, τα οποία χειρίζονται την πληροφορία αποκλειστικά στο οπτικό επίπεδο. Αυτή η αμιγώς οπτική προσέγγιση για την εκτέλεση μεταγωγής για σκοπούς λογικής και υπολογιστικής έχει προσελκύσει έντονο ερευνητικό ενδιαφέρον από την επιστημονική κοινότητα χάρη στα σημαντικά οφέλη που διαθέτει έναντι της ηλεκτρονικής εναλλακτικήςτης, όπως η εξαιρετικά γρήγορη απόκριση σε δεδομένα πληροφορίας και η επακόλουθη ευχέρεια προσαρμογής στην τεράστια αύξηση της χωρητικότητας των οπτικών συστημάτων, η δυνατότητα κατασκευής σύνθετων αρχιτεκτονικών, η πλήρης διαφάνεια στον ρυθμό μετάδοσης δεδομένων, η ρεαλιστική κατανάλωση ενέργειας, η μειωμένη καθυστέρηση, το συμπαγές μέγεθος και το διαχειρίσιμο κόστος. Με κίνητρο την ανάγκη για περαιτέρω βελτιώσεις και καινοτομία προκειμένου να ξεπεραστούν οι περιορισμοί που θέτει η χρήση ηλεκτρονικών στοιχείων και να αντιμετωπιστεί η επακόλουθη ηλεκτρονική συμφόρηση, η παρούσα διδακτορική διατριβή προτείνει την υλοποίηση λογικών πυλών με αμιγώς οπτικό τρόπο αξιοποιώντας οπτικούς ενισχυτές κβαντικών κουκκίδων (quantum-dot semiconductor optical amplifiers, QD-SOA) σε μια συμβολομετρική διάταξη. Οι QD-SOA με τις ξεχωριστές τους οπτικές ιδιότητες και την εξαιρετικά γρήγορη απόκρισή τους είναι υποσχόμενοι υποψήφιοι για εφαρμογές αμιγώς οπτικής επεξεργασίας σήματος. Ως εκ τούτου, η αξιοποίησή τους σε συστήματα που προορίζονται για την εκτέλεση λογικών πράξεων αποκλειστικά με τη χρήση φωτός αναμένεται να είναι ιδιαίτερα επωφελής για την ανάπτυξη αμιγώς οπτικών δικτύων χωρίς προβληματικές οπτοηλεκτρονικές μετατροπές. Σε αυτό το πλαίσιο, μελετήθηκε διεξοδικά η δυνατότητα υλοποίησης αμιγώς οπτικών λογικών πυλών υψηλής ταχύτητας χρησιμοποιώντας ένα κατάλληλα διαρθρωμένο και οδηγούμενο συμβολόμετρο Mach-Zehnder (Mach-Zehnder interferometer, MZI) που ενσωματώνει QD-SOA. Για αυτόν τον στόχο, εφαρμόστηκε ένα κατάλληλο μοντέλο που περιγράφει τη συμπεριφορά του MZI με QD-SOA. Σε πρώτο στάδιο, αυτό το μοντέλο λαμβάνει υπόψη τη διάδοση ενός ισχυρού οπτικού σήματος κατά μήκος του QD-SOA μέσω μιας εξίσωσης ρυθμού μεταβολής της φωτονικής του πυκνότητας, καθώς και την ταυτόχρονη αλλαγή των δυναμικών χαρακτηριστικών κέρδους του QD-SOA, τα οποία περιγράφονται από τρεις εξισώσεις ρυθμού μεταβολής για τις ηλεκτρονικές μεταβάσεις μεταξύ των τριών ενεργειακών καταστάσεων της ζώνης αγωγιμότητας του QD-SOA. Αυτό το σύστημα των τεσσάρων συζευγμένων διαφορικών εξισώσεων με μερικές παραγώγους, από τις οποίες η μία έχει εξάρτηση στον χώρο ενώ οι υπόλοιπες στον χρόνο, λύθηκε αριθμητικά βήμα-βήμα με τη μέθοδο Runge-Kutta 4ης τάξης. Σε δεύτερο στάδιο, το αποτέλεσμα της παραπάνω διαδικασίας συνδυάστηκε με το μοντέλο του MZI, ώστε να βρεθεί η ισχύς στην έξοδο αυτής της συμβολομετρικής διάταξης. Ο κατάλληλος αλγόριθμος για την περιγραφή αυτής της μοντελοποίησης αναπτύχθηκε στο υπολογιστικό περιβάλλον του Matlab. Η εκτέλεση διάφορων βασικών λογικών πράξεων επιτεύχθηκε τόσο με λογική ορθότητα όσο και με υψηλή ποιότητα, ένα εγχείρημα που δεν έχει πραγματοποιηθεί ξανά με συστηματικό τρόπο σε τέτοια έκταση. Αυτό έγινε για λειτουργία στο παράθυρο μετάδοσης της πληροφορίας των 1550 nm και για δεδομένα επιστροφής στο μηδέν με ρυθμό μετάδοσης 160 Gb/s όσον αφορά τις πύλες ΝΟΤ, ΝΟR, NAND και XNOR, ενώ o ρυθμόςμετάδοσης δεδομένων στην περίπτωση της πύλης AND ήταν 320 Gb/s. Η γενική προσέγγιση που ακολουθήθηκε περιέλαβε τη μελέτη της συμπεριφοράς της εκάστοτε πύλης στη μεταβολή κρίσιμων παραμέτρων, την ερμηνεία των ληφθέντων αποτελεσμάτων, την εξαγωγή κατάλληλων σχεδιαστικών κανόνων ώστε τα εξεταζόμενα μετρικά να είναι αποδεκτά, και τέλος την παρουσίαση της ορθής λειτουργίας της εξεταζόμενης πύλης. Με την ίδια μεθοδολογία, η έρευνα επεκτάθηκε από τη μελέτη λογικών πυλών ως διακριτές οντότητες στη διερεύνηση του ταυτόχρονου σχεδιασμού των πυλών NOR και NAND με ικανότητα αναδιάρθρωσης, καθώς και στην εξέταση της ικανότητας σύνδεσης τεσσάρων πυλών XOR με σπονδυλωτό τρόπο για τη δημιουργία ενός πιο σύνθετου κυκλώματος, το οποίο παράγει και ελέγχει ισοτιμία.Τα αποτελέσματα της εκπονηθείσας διατριβής θα μπορούσαν να συμβάλλουν στη μοντελοποίηση της απόκρισης του QD-SOA σε δεδομένα εξαιρετικά υψηλού ρυθμού μετάδοσης με τρόπο περιεκτικό και υπολογιστικά ισορροπημένο, στην προσεγμένη προσομοίωση, ενδελεχή ανάλυση και αποτελεσματική σχεδίαση των αμιγώς οπτικών λογικών πυλών που αξιοποιούν το ΜΖΙ με QD-SOA, καθώς και στον συστηματικό προσδιορισμό των απαραίτητων συνθηκών λειτουργίας τους για την επίτευξη πιο γρήγορης και καλύτερης μεταγωγής της πληροφορίας. Παράλληλα, η πρόοδος που συντελέστηκε από τη διεξαγωγή αυτής της έρευνας θα μπορούσε να προσφέρει σημαντικά οφέλη στην υλοποίηση μεγαλύτερης κλίμακας συστοιχιών διακοπτών και αρχιτεκτονικών διασύνδεσης πολλαπλών λογικών βαθμίδων, ενώ θα μπορούσε να συνδράμει στη διευκόλυνση της αναβάθμισης της χωρητικότητας των δικτύων επικοινωνιών που καθίσταται αναγκαία από την ασταμάτητη ζήτηση σε εύρος ζώνης με στόχο την παροχή περισσότερων και καλύτερων υπηρεσιών.